DE10065458B4 - Method for detecting the switch-off state during shutdown of a fuel cell system with anode pressure control - Google Patents

Method for detecting the switch-off state during shutdown of a fuel cell system with anode pressure control Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Detektion eines Abschaltzustands während einer Abschaltung eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel, der einen Anodeneinlaß und einen Anodenauslaß aufweist, mit den folgenden Schritten, daß:
ein Anodenbypassventil in Verbindung mit dem Anodeneinlaß und eine Steuerung vorgesehen wird, die die Drücke an dem Anodeneinlaß und dem Anodenauslaß bestimmen kann;
die Anodeneinlaß- und -auslaßdrücke erfaßt werden, wenn eine Abschaltung eingeleitet wird und ein erster Druckdifferenzwert erzeugt wird;
der Druck an dem Anodeneinlaß und -auslaß zu einem Zeitpunkt erfaßt wird, nachdem die Steuerung eine Abschaltweisung erteilt hat und ein zweiter Druckdifferenzwert erzeugt wird; und
der erste Druckdifferenzwert mit dem zweiten Druckdifferenzwert verglichen wird, und, wenn der erste Druckdifferenzwert den zweiten Druckdifferenzwert nicht um eine vorbestimmte Größe überschreitet, eine Schnellabschaltung ausgelöst wird.A method of detecting a shutdown condition during shutdown of a fuel cell system having a fuel cell stack having an anode inlet and an anode outlet, comprising the steps of:
an anode bypass valve is provided in communication with the anode inlet and a controller capable of determining the pressures at the anode inlet and the anode outlet;
the anode inlet and outlet pressures are detected when a shutdown is initiated and a first pressure difference value is generated;
the pressure at the anode inlet and outlet is detected at a time after the controller issues a shutdown instruction and generates a second pressure differential value; and
the first pressure difference value is compared with the second pressure difference value, and if the first pressure difference value does not exceed the second pressure difference value by a predetermined amount, an emergency shutdown is triggered.

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Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion des Abschaltzustandes eines Brennstoffzellensystems.These The invention relates to a method for detecting the switch-off state a fuel cell system.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantrieben als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen einen Membranelektrodenaufbau (MEA), der eine dünne, protonendurchlässige, nicht elektrisch leitfähige Festpolymerelektrolytmembran umfaßt, die auf einer ihrer Seiten den Anodenkatalysator und auf der gegenüberliegenden Seite den Kathodenkatalysator umfaßt. Der MEA ist zwischen ein Paar elektrisch leitfähiger Elemente geschichtet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten. Der Begriff Brennstoffzelle wird abhän gig vom Zusammenhang typischerweise als Bezeichnung für entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (Stapel) verwendet. Eine Vielzahl einzelner Zellen wird üblicherweise miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und gemeinsam in Serie angeordnet. Jede Zelle in dem Stapel umfaßt den Membranelektrodenaufbau (MEA), wie vorher beschrieben wurde, und jeder derartige MEA liefert seinen Spannungszuwachs. Eine Gruppe benachbarter Zellen innerhalb des Stapels wird als Cluster bezeichnet. Typische Anordnungen von Mehrfachzellen in einem Stapel sind in dem U.S. Patent Nr. 5,763,113 A beschrieben, das der General Motors Corporation übertragen ist.Fuel cells have been used as an energy source in many applications. For example, fuel cells have been proposed for use in electric vehicle drives as a replacement for internal combustion engines. In proton exchange membrane (PEM) fuel cells, hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell and oxygen as the oxidant to the cathode. PEM fuel cells comprise a membrane electrode assembly (MEA) comprising a thin, proton transmissive, non-electrically conductive solid polymer electrolyte membrane having on one side thereof the anode catalyst and on the opposite side the cathode catalyst. The MEA is sandwiched between a pair of electrically conductive elements which (1) serve as current collectors for the anode and cathode and (2) suitable channels and / or openings therein for distributing the gaseous reactants of the fuel cell across the surfaces of the respective anode and cathode catalysts contain. The term fuel cell is typically used to refer to either a single cell or a plurality of cells (stacks), depending on the context. A plurality of individual cells are usually bundled together to form a fuel cell stack and arranged together in series. Each cell in the stack comprises the membrane electrode assembly (MEA) as previously described and each such MEA provides its voltage gain. A group of adjacent cells within the stack is called a cluster. Typical arrangements of multiple cells in a stack are in the US Patent No. 5,763,113 A described, which is assigned to General Motors Corporation.

Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H2) der Anodenreaktand (d. h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (eine Mischung aus O2 und N2) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyten bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfaßt typischerweise fein unterteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitfähigen Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise kostbare Metallpartikel. Diese Membranelektrodenaufbauten sind relativ teuer herzustellen und erfordern für einen wirksamen Betrieb bestimmte Bedingungen, wie beispielsweise ein richtiges Wassermanagement und eine Befeuchtung und eine Regelung von katalysatorschädlichen Bestandteilen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO).For PEM fuel cells, hydrogen (H 2 ) is the anode reactant (ie, fuel) and oxygen is the cathode reactant (ie, oxidizer). The oxygen may be either in pure form (O 2 ) or as air (a mixture of O 2 and N 2 ). The solid polymer electrolytes typically consist of ion exchange resins such as perfluorinated sulfonic acid. The anode / cathode typically comprises finely divided catalytic particles, often supported on carbon particles and mixed with a proton conductive resin. The catalytic particles are typically precious metal particles. These membrane electrode assemblies are relatively expensive to manufacture and require certain conditions for effective operation, such as proper water management and humidification and control of catalyst-damaging ingredients such as carbon monoxide (CO).

Bei Fahrzeuganwendungen ist es erwünscht, einen flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise einen Alkohol (beispielsweise Methanol oder Ethanol) oder Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Benzin) als Wasserstoffquelle für die Brennstoffzelle zu verwenden. Derartige flüssige Brennstoffe für das Fahrzeug sind leicht an Bord zu speichern und es besteht eine breite Infrastruktur zur Lieferung flüssiger Brennstoffe. Jedoch müssen derartige Brennstoffe aufgespalten werden, um deren Wasserstoffgehalt zur Befüllung der Brennstoffzelle mit Brennstoff freizugeben. Die Aufspaltungsreaktion wird in einem chemischen Brennstoffprozessor oder Reformer erreicht. Der Brennstoffprozessor umfaßt einen oder mehrere Reaktoren, in denen der Brennstoff mit Dampf und manchmal Luft reagiert, um ein Reformatgas zu erzielen, das hauptsächlich Wasserstoff und Kohlendioxid umfaßt. Beispielsweise reagieren bei dem Dampf-Methanol-Reformationsprozeß Methanol und Wasser (als Dampf) idealerweise, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. In Wirklichkeit werden auch Kohlenmonoxid und Wasser erzeugt. Bei einem Benzinreformationsprozeß werden Dampf, Luft und Benzin in einem Brennstoffprozessor reagiert, der zwei Abschnitte umfaßt. Einer ist hauptsächlich ein Partialoxidationsreaktor (POX) und der andere ist hauptsächlich ein Dampfreformer (SR). Der Brennstoffprozessor erzeugt Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser. Unterstromige Reaktoren können Wasser-Gas-Shift-Reaktoren (WGS-Reaktoren) und Reaktoren für selektive Oxidation (PROX-Reaktoren) umfassen. In dem PROX wird Kohlendioxid (CO2) aus Kohlenmonoxid (CO) unter Verwendung von Sauerstoff aus Luft als ein Oxidationsmittel erzeugt. Hierbei ist die Steuerung der Luftzufuhr wichtig, um CO selektiv in CO2 zu oxidieren.In vehicle applications, it is desirable to use a liquid fuel such as an alcohol (eg, methanol or ethanol) or hydrocarbons (eg, gasoline) as a hydrogen source for the fuel cell. Such liquid fuels for the vehicle are easily stored on board and there is a broad infrastructure for the supply of liquid fuels. However, such fuels must be split to release their hydrogen content to fill the fuel cell with fuel. The decomposition reaction is achieved in a chemical fuel processor or reformer. The fuel processor includes one or more reactors in which the fuel reacts with steam and sometimes air to achieve a reformate gas comprising primarily hydrogen and carbon dioxide. For example, in the steam-methanol reforming process, methanol and water (as vapor) ideally react to produce hydrogen and carbon dioxide. In reality, carbon monoxide and water are also produced. In a gasoline reforming process, steam, air and gas are reacted in a fuel processor comprising two sections. One is mainly a partial oxidation reactor (POX) and the other is mainly a steam reformer (SR). The fuel processor generates hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide and water. Downstream reactors may include water-gas-shift (WGS) reactors and selective oxidation reactors (PROX reactors). In the PROX, carbon dioxide (CO 2 ) is generated from carbon monoxide (CO) using oxygen from air as an oxidizer. Here, the control of the air supply is important to oxidize CO selectively in CO 2 .

Brennstoffzellensysteme, die einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff verarbeiten, um ein wasserstoffreiches Reformat zum Verbrauch durch PEM-Brennstoffzellen zu erzeugen, sind bekannt und beschrieben in den ebenfalls anhängigen U.S. Patentanmeldungen Seriennrn. 08/975,442 und 08/980,087, die im November 1997 eingereicht wurden, und U.S. Seriennr. 09/187,125, die im November 1998 eingereicht wurde und die jeweils der General Motors Corporation übertragen sind, die Rechtsnachfolgerin der vorliegenden Erfindung ist; und in der internationalen Anmeldung Veröffentlichungsnr. WO 98/08771 A2 die am 5. März 1998 veröffentlicht wurde. Eine typische PEM-Brennstoffzelle und ihr Membranelektrodenaufbau (MEA) sind in den U.S. Patenten Nr. 5,272,017 A und 5,316,871 A beschrieben, die am 21. Dezember 1993 bzw. 31. Mai 1994 eingereicht wurden und auf die General Motors Corporation übertragen sind.Fuel cell systems that process a hydrocarbon fuel to produce a hydrogen-rich reformate for consumption by PEM fuel cells are known and described in co-pending US patent applications Ser. 08 / 975,442 and 08 / 980,087, filed in November 1997, and US Ser. 09 / 187,125, filed November 1998, each of which is assigned to General Motors Corporation, the assignee of the present invention; and in international application publication no. WO 98/08771 A2 which was published on March 5, 1998. A typical PEM fuel cell and its membrane electrode assembly (MEA) are in the US Patent No. 5,272,017 A and 5,316,871 A filed December 21, 1993 and May 31, 1994, respectively, and assigned to General Motors Corporation.

Ein wirksamer Betrieb eines Brennstoffzellensystems hängt von der Fähigkeit ab, Gasströmungen (H2-Reformat und Luft/Sauerstoff) zu dem Brennstoffzellenstapel nicht nur während der Startphase und dem normalen Systembetrieb wirksam zu steuern, sondern auch während der Systemabschaltung. Während der Abschaltung eines Brennstoffzellensystemes, das Wasserstoff aus flüssigem Brennstoff erzeugt, steigen die CO-Emissionen der Anode an und können den Stapel schädigen. Demgemäß besteht ein Hauptanliegen während der Abschaltung in der Umlenkung der Gasströmungen von H2 und Luft/Sauerstoff um oder weg von dem Brennstoffzellenstapel und der Beseitigung des überschüssigen H2. Die H2- und Luftströmungen, die von dem Stapel während des Abschaltens umgelenkt werden, müssen auch getrennt gehalten werden, um die Bildung einer brennbaren Mischung in dem System zu vermeiden. Der Stapel muß auch vor längeren Druckunterschieden (beispielsweise größer als fünf Sekunden) geschützt werden, die einen Bruch der dünnen Membrane in dem Membranelektrodenaufbau (MEA), die die Anoden- und Kathodengase trennen, zur Folge haben könnten. Es ist daher wichtig, sicherzustel len, daß die Gasumlenkung von dem Stapel weg beim Abschalten richtig erfolgt und beim Start richtig wiederhergestellt wird.Efficient operation of a fuel cell system depends on the ability to control gas flows (H 2 reformate and air / oxygen) to the fuel cell stack not only during the start-up phase and normal system operations effectively, but also during system shutdown. During shutdown of a fuel cell system that generates hydrogen from liquid fuel, the CO emissions from the anode increase and can damage the stack. Accordingly, a major concern during shutdown is the redirection of the gas flows of H 2 and air / oxygen around or away from the fuel cell stack and the removal of excess H 2 . The H 2 and air flows that are diverted from the stack during shutdown must also be kept separate to avoid the formation of a combustible mixture in the system. The stack must also be protected from prolonged pressure differentials (e.g., greater than five seconds) which could result in breakage of the thin membrane in the membrane electrode assembly (MEA) separating the anode and cathode gases. It is therefore important to make sure that the gas redirection from the stack is done properly at shutdown and is properly restored at startup.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzusehen, bei dem die Gasumlenkung von dem Stapel weg beim Abschalten richtig erfolgt, so dass die Gasumlenkung beim Start richtig wiederhergestellt wird.It the object of the present invention is to provide a method where the gas redirection from the stack is done properly at shutdown, so that the gas diversion is properly restored at take-off.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.The solution This object is achieved by the features of the independent claim.

Bei einem Aspekt wird die Umlenkung von Gasströmungen um den Stapel während der Abschaltung mit Anoden- und Kathodenbypassventilen erreicht. Bei dem Brennstoffzellensystem, das zur Verwendung in Fahrzeuganwendungen angepaßt ist, umfassen die Bypassventile sich relativ langsam bewegende Bypassventile vom Kraftfahrzeugtyp. Die Erfindung löst die potentiellen Probleme, die infolge eines Ausfalls eines Bypassventils aufgeworfen werden, um eine Strömung um den Stapel abzusperren und umzulenken, was den Stapel schädigen kann. Insbesondere kann eine Betriebsunfähigkeit des Anodenbypassventils beim Abschalten den Stapel mit überschüssigem CO in dem H2-Reformat von dem Brennstoffprozessor schädigen. Ähnlicherweise kann ein Ausfall des Anodenbypassventils beim Öffnen in der Startphase des Brennstoffzellensystems in einer Zellenumkehr resultieren. Eine Zellenumkehr tritt auf, wenn der Brennstoffzellenstapel belastet ist und nicht genug H2 an den Anodeneinlaß geliefert wird, wodurch ein Membrandurchbruch und eine dauerhafte Stapelschädigung bewirkt wird. Demgemäß sieht die Erfindung ein Verfahren vor, um sicherzustellen, daß die Umlenkung des Gases weg von der Anode beim Abschalten richtig erfolgt und beim Start richtig wiederhergestellt wird. Hierbei wird ein Anodenbypassventil und eine zugeordnete Ventilanordnung verwendet, um die richtige Umlenkung und Wiederherstellung der Strömung sicherzustellen.In one aspect, the diversion of gas flows around the stack is achieved during shut down with anode and cathode bypass valves. In the fuel cell system adapted for use in vehicle applications, the bypass valves include relatively slow moving automotive type bypass valves. The invention solves the potential problems posed by a failure of a bypass valve to shut off and redirect flow around the stack, which can damage the stack. In particular, inoperability of the anode bypass valve at shutdown may damage the stack with excess CO in the H 2 reformate from the fuel processor. Likewise, failure of the anode bypass valve to open in the startup phase of the fuel cell system may result in cell reversal. Cell reversal occurs when the fuel cell stack is loaded and not enough H 2 is delivered to the anode inlet, causing membrane breakthrough and permanent stack damage. Accordingly, the invention provides a method to ensure that the deflection of the gas away from the anode at shutdown is correct and properly restored at startup. In this case, an anode bypass valve and an associated valve arrangement is used to ensure the correct diversion and restoration of the flow.

Bei einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Ventilanordnung vor, um sicherzustellen, daß das Anodenbypassventil während einer normalen Abschaltung geschlossen ist. Wenn bestimmt wird, daß sich das Anodenbypassventil während der normalen Abschaltung nicht richtig geschlossen hat, wird das Brennstoffzellensystem in einen Schnellabschaltmodus gesetzt, bei dem CO-reiches H2-Reformat sofort von dem Anodeneinlaß entlüftet wird. Dies schützt den Stapel vor einer CO-Schädigung.In another aspect, the present invention provides a method and a valve assembly to ensure that the anode bypass valve is closed during a normal shutdown. If it is determined that the anode bypass valve did not properly close during normal shutdown, the fuel cell system is placed in an emergency shutdown mode in which CO rich H 2 reform is immediately vented from the anode inlet. This protects the stack from CO damage.

Gemäß eines Aspektes der Erfindung wird der Druck an dem Anodeneinlaß mit dem Druck an dem Anodenauslaß verglichen. Dieser anodenseitige Druckabfall über den Stapel nimmt während einer normalen Abschaltung, bei der das Anodenbypassventil richtig arbeitet, ziemlich schnell ab. Wenn das Anodenbypassventil schließt, kann durch Überwachung des ”Spaltes” des Druckunterschiedes zwischen dem Anodeneinlaß und -ausaß während der ersten einigen Sekunden der Abschaltung bestimmt werden, ob das Anodenbypassventil richtig geschlossen ist. Ein ”geschlossenes” Bypassventil ist als eine Ventilstellung definiert, die die gesamte Strömung um den Stapel herum führt. Wenn der Spalt zwischen den Druckverlusten des Anodeneinlasses und -auslasses in den ersten einigen Sekunden schnell auf Null abfällt, ist das Anodenbypassventil richtig geschlossen. Wenn der Spalt zwischen den Druckverlusten des Anodeneinlasses und -auslasses während der Abschaltung langsam abfällt oder ansteigt, wird ein Signal durch die Brennstoffzellensystemsteuerung oder -software erzeugt, das einen Anodenbypassfehler anzeigt und eine Schnellabschaltung auslöst. In dem Schnellabschaltmodus wird der Anodeneinlaß durch eine schnell wirkende Entlüftung in dem Strömungsweg von dem Anodenbypassventil zu dem Anodeneinlaß sofort entlüftet.According to one Aspect of the invention, the pressure at the anode inlet with the Pressure at the anode outlet compared. This anode-side pressure drop across the stack decreases during a normal Shutdown, in which the anode bypass valve works properly, pretty much fast. When the anode bypass valve closes, it can be monitored the "gap" of the pressure difference between the anode inlet and -ausaß during the first a few seconds of shutdown to determine if the anode bypass valve is properly closed. A "closed" bypass valve is defined as a valve position that is the total flow around the Stack leads around. If the gap between the pressure drops of the anode inlet and outlet drops rapidly to zero in the first few seconds, is the anode bypass valve is closed properly. When the gap between the pressure losses of the anode inlet and outlet during the Shutdown slowly drops or rises, a signal is signaled by the fuel cell system controller or software that indicates an anode bypass error and an emergency shutdown triggers. In the rapid shutdown mode, the anode inlet is replaced by a fast acting one vent in the flow path vented immediately from the anode bypass valve to the anode inlet.

Bei einem anderen Aspekt der Erfindung werden Drucksensoren an dem Anodeneinlaß und -auslaß vorgesehen, und wahlweise werden irgendwelche Grenzschalter, Verdrahtung und Eingangs-/Ausgangsstrukturen, die der Bypassventileinrichtung zur physikalischen Verifizierung eines richtigen Betriebes zugeordnet sind, entfernt. Der Unterschied der Drücke, die durch die Sensoren an dem Anodeneinlaß und -auslaß bestimmt werden, wird zumindest während einer normalen Abschaltprozedur vorsichtig überwacht und der Unterschied über eine Zeitperiode entsprechend der Zeit verfolgt, in der typischerweise zu erwarten ist, daß sich der Druck an dem Anodeneinlaß mit dem Druck an dem Anodenauslaß ausgleicht, wenn das Anodenbypassventil richtig schließt. Wenn der Druckunterschied über die vorgeschriebene Zeitperiode nicht signifikant abnimmt, wird ein Signal erzeugt, das einen Anodenbypassfehler angibt, und das System wird in einen Schnellabschaltmodus geschaltet, in dem der Anodeneinlaß sofort entlüftet wird.In another aspect of the invention, pressure sensors are provided at the anode inlet and outlet, and optionally, any limit switches, wiring, and input / output structures are provided to the bypass valve means for physical verification of a correct gene operation are assigned removed. The difference in pressures determined by the sensors at the anode inlet and outlet is carefully monitored, at least during a normal shutdown procedure, and the difference tracked over a period of time corresponding to the time during which the pressure is typically expected to increase at that pressure Anodeneinlaß balances with the pressure at the anode outlet, if the anode bypass valve closes properly. If the pressure differential does not significantly decrease over the prescribed period of time, a signal indicative of anode bypass error is generated, and the system is placed in an emergency shutdown mode in which the anode inlet is vented immediately.

Die Entlüftungsventileinrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann existierende Ventile und ein während einer Abschaltung gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens gesteuertes Brennstoffzellensystem umfassen, oder kann eine Ventileinrichtung nur zu diesem Zweck umfassen, die an das existierende Brennstoffzellensystem angefügt wird. Eine Überwachung des Druckunterschiedes über die Drucksensoren kann durch eine zweckbestimmte Steuerung erfolgen, die einen geeigneten Mikroprozessor, Mikrocontroller, Personalcomputer, etc. umfaßt, der eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) aufweist, die in der Lage ist, ein Steuerprogramm und in dem Speicher gespeicherte Daten auszuführen. Die Steuerung kann zusätzlich eine existierende Steuerung in einem Brennstoffzellensystem umfassen. Die Steuerung der schnell wirkenden Entlüfungsventileinrichtung bei einer Schnellabschaltung wird auf ähnliche Art und Weise erreicht.The The vent valve assembly for execution the method according to the invention can existing valves and during a shutdown according to the inventive method controlled fuel cell system, or may include a valve device for this purpose only, which is attached to the existing fuel cell system. A surveillance the pressure difference across the pressure sensors can be done by dedicated control, the a suitable microprocessor, microcontroller, personal computer, etc., having a central processing unit (CPU), which in the Location is a control program and data stored in the memory perform. The controller can also have a include existing control in a fuel cell system. The control of the fast-acting vent valve device at an emergency shutdown is achieved in a similar manner.

ZeichnungskurzbeschreibungDrawing Summary

Die verschiedenen Merkmale, Vorteile und anderen Anwendungen der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die Zeichnungen offensichtlicher, in welchen:The various features, advantages and other applications of the present The invention will be better understood by reference to the following description and the drawings more obvious in which:

1 eine Zeichnung ist, die ein Brennstoffzellensystem darstellt, auf das das Verfahren zur Überwachung des Bypassventiles und eine bevorzugte Entlüftungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann. 1 Figure 11 is a drawing illustrating a fuel cell system to which the bypass valve monitoring method and preferred venting arrangement according to the present invention may be applied.

2 eine Zeichnung des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystemes ist, das bildlich dargestellt mit einer Gebrauchsanwendung verbunden ist. 2 a drawing of the in 1 shown fuel cell system, which is shown connected to a utility application.

2A ein Flußdiagramm ist, das eine beispielhafte Erzeugung von Normal- und Schnellabschaltanweisungen durch ein Fahrzeugsystem an Bord darstellt. 2A FIG. 10 is a flow chart illustrating exemplary generation of normal and quick shutdown instructions by a on-board vehicle system.

3 eine vereinfachte idealisierte asströmungs- und Entlüftungsdarstellung des Brennstoffzellensystemes von 1 in einem normalen Betriebsmodus (d. h. ohne Abschaltung) gerade vor der Aufnahme einer Abschaltanweisung ist, das gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Entlüftungsanordnung versehen ist. 3 a simplified idealized asströmungs and venting representation of the fuel cell system of 1 in a normal operating mode (ie, without shutdown) just prior to receiving a shutdown instruction provided with a bleed assembly in accordance with the present invention.

3A die Bypassventilsymbole zeigt, die dazu verwendet werden, die Erfindung in den 3 bis 6 darzustellen. 3A shows the bypass valve symbols used to place the invention in the 3 to 6 display.

4 das Brennstoffzellensystem von 3 in einer Zwischenstufe einer normalen Abschaltung zeigt, bei der das Kathodenbypassventil teilweise geschlossen ist und das Anodenbypassventil teilweise geschlossen ist. 4 the fuel cell system of 3 in an intermediate stage of a normal shutdown shows, in which the cathode bypass valve is partially closed and the anode bypass valve is partially closed.

5 das Brennstoffzellensystem von 3 zeigt, bei dem das Kathodenbypassventil vollständig geschlossen ist, und bei dem das Anodenbypassventil angewiesen wird, sich zu schließen. 5 the fuel cell system of 3 shows, in which the cathode bypass valve is fully closed, and in which the anode bypass valve is instructed to close.

6 das Brennstoffzellensystem von 5 in einem Schnellabschaltmodus zeigt, nachdem eine Betriebsunfähigkeit des Anodenbypasses detektiert worden ist. 6 the fuel cell system of 5 in an emergency shutdown mode after an inoperability of the anode bypass has been detected.

7 das Brennstoffzellensystem von 1 mit einer hinzugefügten Entlüftungsventileinrichtung zeigt, um das Verfah ren der vorliegenden Erfindung zur Überwachung des Anodenbypasses auszuführen. 7 the fuel cell system of 1 with an added vent valve means to carry out the method of the present invention for monitoring the anode bypass.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten AusführungsformenDetailed description of the preferred embodiments

Die Erfindung ist insbesondere für Brennstoffzellensysteme von Nutzen, die dazu verwendet werden, Leistung für einen Fahrzeugantrieb zu erzeugen. Dies wird weiter durch Bezugnahme auf das in 1 nur beispielhaft gezeigte Brennstoffzellensystem offensichtlich. Daher ist es vor der weiteren Beschreibung der Erfindung von Nutzen, den Systemtyp zu verstehen, mit dem das Verfahren zur Überwachung des Anodenbypasses verwendet werden kann, um den Stapel zu schützen, und ferner, den Ort und das Zusammenspiel eines Bypasses und einer Entlüftungsventileinrichtung in einem derartigen System zu veranschaulichen.The invention is particularly useful for fuel cell systems used to generate power for a vehicle drive. This is further explained by referring to the in 1 only exemplified fuel cell system obviously. Therefore, before further describing the invention, it will be useful to understand the type of system with which the method of monitoring the anode by-pass can be used to protect the stack, and also the location and interplay of a bypass and vent valve means in one to illustrate such a system.

1 zeigt ein Beispiel eines Brennstoffzellensystemes. Das System kann in einem Fahrzeug (nicht gezeigt) als eine Energiequelle zum Fahrzeugantrieb verwendet werden. Bei dem System wird ein Kohlenwasserstoff in einem Brennstoffprozessor beispielsweise durch Reformationsprozesse und Prozesse mit selektiver Oxidation verarbeitet, um ein Reformatgas zu erzeugen, das auf einer Volumen- oder Molbasis einen relativ hohen Wasserstoffgehalt aufweist. Daher bezeichnet ”H2” wasserstoffreich oder mit einem relativ hohen Wasserstoffgehalt. 1 shows an example of a fuel cell system. The system may be used in a vehicle (not shown) as an energy source for vehicle propulsion. In the system, a hydrocarbon in a fuel processor is processed by, for example, reforming processes and selective oxidation processes to produce a reformate gas having a relatively high hydrogen content on a volume or molar basis. Therefore, "H 2 " denotes hydrogen-rich or with a relatively high hydrogen content.

Die Erfindung ist nachfolgend im Zusammenhang mit einer Brennstoffzelle, die durch ein H2-reiches Reformat mit Brennstoff befüllt wird, ungeachtet des Verfahrens beschrieben, durch das ein derartiges Reformat hergestellt wird. Es ist zu verstehen, daß die hier ausgeführten Prinzipien auf Brennstoffzellen anwendbar sind, die durch H2 mit Brennstoff befüllt werden, der von einer beliebigen Quelle erhalten wird, einschließlich reformierbarem Kohlenwasserstoff und wasserstoffhaltigen Brennstoffen, wie beispielsweise Methanol, Ethanol, Benzin, Alken oder andere aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe.The invention will be described below in the context of a fuel cell filled with fuel by an H 2 -rich reformate, regardless of the method by which such a reformate is made. It is to be understood that the principles embodied herein are applicable to fuel cells filled by H 2 with fuel obtained from any source, including reformable hydrocarbon and hydrogen-containing fuels, such as methanol, ethanol, gasoline, alkene, or others aliphatic or aromatic hydrocarbons.

Wie in 1 gezeigt ist, umfaßt eine Brennstoffzellenvorrichtung einen Brennstoffprozessor 2 zur katalytischen Reaktion eines Brennstoffstromes 6 aus reformierbarem Kohlenwasserstoff und Wasser in der Form von Dampf aus einem Wasserstrom 8. Bei einigen Brennstoffprozessoren wird auch Luft in einer Kombination aus Reaktion mit selektiver Oxidation/Dampfreformierungsreaktion verwendet. In diesem Fall nimmt der Brennstoffprozessor 2 auch einen Luftstrom 9 auf. Der Brennstoffprozessor umfaßt einen oder mehrere Reaktoren 12, wobei der reformierbare Kohlenwasserstoff-Brennstoff in dem Strom 6 in Anwesenheit von Wasser/Dampf 8 und manchmal Luft (in Strom 9) eine Aufspaltung erfährt, um das wasserstoffreiche Reformat zu erzeugen. Ferner kann jeder Reaktor 12 ein oder mehrere Reaktorbetten umfassen. Der Reaktor 12 kann einen oder mehrere Abschnitte oder Betten aufweisen, wobei eine Vielzahl von Konstruktionen bekannt und anwendbar sind. Daher kann die Auswahl und Anordnung der Reaktoren 12 variieren, wobei beispielhafte Brennstoffreformierungsreaktor(en) 14 und unterstromige Reaktor(en) 16 unmittelbar anschließend beschrieben sind.As in 1 1, a fuel cell device includes a fuel processor 2 for the catalytic reaction of a fuel stream 6 reformable hydrocarbon and water in the form of steam from a stream of water 8th , In some fuel processors, air is also used in a combination of selective oxidation / steam reforming reaction. In this case, the fuel processor takes 2 also an airflow 9 on. The fuel processor includes one or more reactors 12 wherein the reformable hydrocarbon fuel in the stream 6 in the presence of water / steam 8th and sometimes air (in electricity 9 ) undergoes a decomposition to produce the hydrogen-rich reformate. Furthermore, each reactor 12 comprise one or more reactor beds. The reactor 12 may comprise one or more sections or beds, a variety of constructions being known and applicable. Therefore, the selection and arrangement of the reactors 12 with exemplary fuel reforming reactor (s) 14 and downstream reactor (s) 16 are described immediately thereafter.

Beispielsweise reagieren in einem beispielhaften Dampf-Methanol-Reformationsprozeß Methanol und Wasser (als Dampf) idealerweise in einem Reaktor 14, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen, wie vorher im Hintergrund beschrieben wurde. Tatsächlich werden auch Koh lenmonoxid und Wasser erzeugt. Bei einem weiteren Beispiel reagieren in einem beispielhaften Benzinreformationsprozeß Dampf, Luft und Benzin in einem Brennstoffprozessor, der einen Reaktor 14 umfaßt, der zwei Abschnitte aufweist. Ein Abschnitt des Reaktors 14 ist hauptsächlich ein Partialoxidationsreaktor (POX) und der andere Abschnitt des Reaktors ist hauptsächlich ein Dampfreformer (SR). Wie in dem Fall der Methanolreformation erzeugt die Benzinreformation den erwünschten Wasserstoff, erzeugt aber zusätzlich Kohlendioxid, Wasser und Kohlenmonoxid. Nach jedem Reformationstyp ist es erwünscht, den Kohlenmonoxidgehalt des Produktstromes zu verringern.For example, in an exemplary steam-methanol reforming process, methanol and water (as steam) ideally react in a reactor 14 to produce hydrogen and carbon dioxide, as previously described in the background. In fact, carbon monoxide and water are also produced. In another example, in an exemplary gasoline reforming process, steam, air, and gasoline in a fuel processor react to a reactor 14 comprising two sections. A section of the reactor 14 is mainly a partial oxidation reactor (POX) and the other section of the reactor is mainly a steam reformer (SR). As in the case of methanol reforming, the gasoline reform produces the desired hydrogen, but additionally generates carbon dioxide, water and carbon monoxide. After each type of reformation, it is desirable to reduce the carbon monoxide content of the product stream.

Demgemäß umfaßt der Brennstoffprozessor typischerweise auch einen oder mehrere unterstromige Reaktoren 16, wie beispielsweise Wasser-Gas-Shift-Reaktoren (WGS-Reaktoren) und Reaktoren für selektive Oxidation (PROX-Reaktoren), die dazu verwendet werden, aus Kohlenmonoxid Kohlendioxid zu erzeugen, wie vorher im Hintergrund beschrieben wurde. Vorzugsweise wird der anfängliche Reformatausgangsgasstrom, der Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser umfaßt, in einem Reaktor 16 für selektive Oxidation (PROX-Reaktor) weiter behandelt, um die CO-Niveaus darin auf annehmbare Niveaus, beispielsweise unterhalb 20 ppm zu reduzieren. Dann wird während des Laufmodus das H2-reiche Reformat 20 durch Ventil 31 in die Anodenkammer eines Brennstoffzellenstapels 22 zugeführt. Gleichzeitig wird Sauerstoff (beispielsweise Luft) von einem Oxidationsmittelstrom 24 in die Kathodenkammer der Brennstoffzelle 22 zugeführt. Der Wasserstoff von dem Reformatstrom 20 und der Sauerstoff von dem Oxidationsmittelstrom 24 reagieren in der Brennstoffzelle 22, um Elektrizität zu erzeugen.Accordingly, the fuel processor typically also includes one or more downstream reactors 16 such as water-gas-shift (WGS) reactors and selective oxidation reactors (PROX reactors), which are used to generate carbon dioxide from carbon monoxide, as previously described in the background. Preferably, the initial reformate exit gas stream comprising hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide and water is in a reactor 16 for selective oxidation (PROX reactor) to reduce CO levels therein to acceptable levels, for example below 20 ppm. Then, during the running mode, the H 2 -rich reformate 20 through valve 31 into the anode chamber of a fuel cell stack 22 fed. At the same time, oxygen (for example, air) from an oxidant stream 24 in the cathode chamber of the fuel cell 22 fed. The hydrogen from the reformate stream 20 and the oxygen from the oxidant stream 24 react in the fuel cell 22 to generate electricity.

Das Abgas oder der Abfluß 26 von der Anodenseite der Brennstoffzelle 22 enthält einigen nicht reagierten Wasserstoff. Das Abgas oder der Abfluß 28 von der Kathodenseite der Brennstoffzelle 22 enthält einigen nicht reagierten Sauerstoff. Luft für den Oxidationsmittelstrom 24 wird durch eine Luftversorgung, vorzugsweise einen Kompressor 30 vorgesehen. Bei normalen Betriebszuständen wird Luft von der Luftversorgung (Kompressor 30) an die Brennstoffzelle 22 durch ein Ventil 32 geführt. Während der Startphase wird jedoch das Ventil 32 betätigt, um Luft direkt an den Eingang eines Brenners 34 zu liefern. Die Luft wird in dem Brenner 34 dazu verwendet, mit einem Brennstoff zu reagieren, der durch Leitung 46 geliefert wird. Die Verbrennungswärme wird dazu verwendet, verschiedene Teile des Brennstoffprozessors 2 zu erwärmen.The exhaust or the drain 26 from the anode side of the fuel cell 22 contains some unreacted hydrogen. The exhaust or the drain 28 from the cathode side of the fuel cell 22 contains some unreacted oxygen. Air for the oxidant stream 24 is through an air supply, preferably a compressor 30 intended. In normal operating conditions, air is supplied from the air supply (compressor 30 ) to the fuel cell 22 through a valve 32 guided. During the starting phase, however, the valve becomes 32 Pressed to direct air directly to the input of a burner 34 to deliver. The air is in the burner 34 used to react with a fuel passing through pipe 46 is delivered. The heat of combustion is used to different parts of the fuel processor 2 to warm up.

Es sei angemerkt, daß einige der Reaktionen, die in dem Brennstoffprozessor 2 auftreten, endotherm sind und somit Wärme erfordern. Andere Reaktionen verlaufen exotherm und erfordern eine Beseitigung von Wärme. Typischerweise erfordert der PROX-Reaktor 16 eine Beseitigung von Wärme. Eine oder mehrere der Reformationsreaktionen in dem Reaktor 14 sind typischerweise endotherm und erfordern eine Zugabe von Wärme. Dies wird typischerweise durch Vorerwärmen der Reaktanden (Brennstoff 6, Dampf 8 und Luft 9) und/oder durch Erwärmen ausgewählter Reaktoren erreicht.It should be noted that some of the reactions occurring in the fuel processor 2 occur, are endothermic and thus require heat. Other reactions are exothermic and require removal of heat. Typically, the PROX reactor requires 16 an elimination of heat. One or more of the reformation reactions in the reactor 14 are typically endothermic and require the addition of heat. This is typically done by preheating the reactants (fuel 6 , Steam 8th and air 9 ) and / or by heating selected reactors.

Wärme von dem Brenner 34 erwärmt während der Startphase ausgewählte Reaktoren und Reaktorbetten in dem Brennstoffprozessor 2. Der Brenner 34 erzielt eine Erwärmung der ausgewählten Reaktoren und Betten in dem Brennstoffprozessor je nach Erfordernis durch indirekte Wärmeübertragung damit. Typischerweise umfassen derartige indirekt er wärmte Reaktoren eine Reaktionskammer mit einem Einlaß und einem Auslaß. In der Reaktionskammer sind die Betten in der Form von Trägerelementsubstraten vorgesehen, von denen jedes eine erste Oberfläche aufweist, die katalytisch aktives Material zur Erzielung der gewünschten chemischen Reaktionen trägt. Eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist, dient zum Wärmeübergang von heißen Gasen auf die Trägerelementsubstrate. Zusätzlich ist der Brenner 34 verwendbar, um den Brennstoff 6, das Wasser 8 und die Luft 9 vorzuerwärmen, die als Reaktanden an den Brennstoffprozessor 2 geliefert werden.Heat from the burner 34 heats selected reactors and reactor beds in the fuel processor during the startup phase 2 , The burner 34 achieves heating of the selected reactors and beds in the fuel processor as required by indirect heat transfer in order to. Typically, such indirectly heated reactors include a reaction chamber having an inlet and an outlet. In the reaction chamber, the beds are provided in the form of support member substrates, each having a first surface carrying catalytically active material for achieving the desired chemical reactions. A second surface opposite the first surface serves to transfer heat from hot gases to the carrier element substrates. In addition, the burner 34 suitable for the fuel 6 , the water 8th and the air 9 preheat as reactants to the fuel processor 2 to be delivered.

Es sei angemerkt, daß die Luft 9, die an den Brennstoffprozessor 2 geliefert wird, in einem oder mehreren der Reaktoren 12 verwendet werden kann. Wenn Reaktor 14 ein Benzinreformationsreaktor ist, dann wird Luft von Leitung 9 an den Reaktor 14 geliefert. Der PROX-Reaktor 16 verwendet auch Luft, um CO in CO2 zu oxidieren, und empfängt auch Luft von der Luftlieferquelle (Kompressor 30) über Leitung 9.It should be noted that the air 9 attached to the fuel processor 2 delivered in one or more of the reactors 12 can be used. If reactor 14 a gasoline reforming reactor is then air from duct 9 to the reactor 14 delivered. The PROX reactor 16 also uses air to oxidize CO in CO 2 , and also receives air from the air supply source (compressor 30 ) via wire 9 ,

Der Brenner 34 definiert eine Kammer 41 mit einem Einlaßende 42, einem Auslaßende 44 und einem Katalysatorabschnitt 48 zwischen den Enden. Kohlenwasserstoff-Brennstoff wird in den Brenner eingespritzt. Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff wird, wenn er in flüssiger Form vorliegt, vorzugsweise verdampft und zwar entweder vor der Einspritzung in den Brenner oder in einem Abschnitt des Brenners, um den Brennstoff zur Verbrennung zu verteilen. Die Verdampfung kann mit einem elektrischen Heizer ausgeführt werden. Sobald das System arbeitet und der Brenner aufgewärmt worden ist, kann die Verdampfung durch Wärmeaustausch. unter Verwendung von Wärme von dem Brennerabgas stattfinden, um den eintretenden Brennstoff zu verdampfen. Vorzugsweise ist eine Brennstoff meßvorrichtung 43 vorgesehen, um die Rate zu steuern, mit der Kohlenwasserstoff-Brennstoff an den Brenner geliefert wird.The burner 34 defines a chamber 41 with an inlet end 42 , an outlet end 44 and a catalyst section 48 between the ends. Hydrocarbon fuel is injected into the burner. The hydrocarbon fuel, when in liquid form, is preferably vaporized, either prior to injection into the burner or in a portion of the burner, to disperse the fuel for combustion. The evaporation can be carried out with an electric heater. Once the system is up and the burner has warmed up, the evaporation can be through heat exchange. using heat from the burner exhaust gas to vaporize the incoming fuel. Preferably, a fuel measuring device 43 provided to control the rate at which hydrocarbon fuel is delivered to the burner.

Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 und der Anodenabfluß 26 reagieren in dem Katalysatorabschnitt 48 des Brenners 34, wobei dieser Abschnitt zwischen den Einlaß- und Abgasenden 42 bzw. 44 des Brenners 34 liegt. Sauerstoff wird entweder von der Luftversorgung (d. h. Kompressor 30) über Ventil 32 oder von einem zweiten Luftströmungsstrom, wie beispielsweise einem Kathodenabflußstrom 28, abhängig von den Systembetriebsbedingungen an den Brenner 34 geliefert. Ein Ventil 50 erlaubt die Freigabe des Brennerabgases 36 an die Atmosphäre, wenn es nicht erforderlich ist, um Reaktoren in dem Brennstoffprozessor 2 zu erwärmen.The hydrocarbon fuel 46 and the anode effluent 26 react in the catalyst section 48 of the burner 34 , this section between the inlet and exhaust ends 42 respectively. 44 of the burner 34 lies. Oxygen is supplied either from the air supply (ie compressor 30 ) via valve 32 or from a second airflow stream, such as a cathode effluent stream 28 , depending on the system operating conditions to the burner 34 delivered. A valve 50 allows the release of the burner exhaust gas 36 to the atmosphere when it is not required to reactors in the fuel processor 2 to warm up.

Wie ersichtlich ist, ergänzt der Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom 46 den Anodenabfluß 26 als Brennstoff für den Brenner 34, wie erforderlich ist, um die Übergangs- und Festzustandserfordernisse des Brennstoffzellensystems zu erfüllen. In einigen Situationen gelangt Abgas durch einen Regler 38, ein Absperrventil 140 und einen Schalldämpfer 142, bevor es an die Atmosphäre freigegeben wird. In 1 sind die Symbole wie folgt: ”V” ist Ventil, ”MFM” ist Massenflußmeter, ”T” ist Temperaturüberwachung, ”R” ist Regler, ”C” ist Kathodenseite, ”A” ist Anodenseite der Brennstoffzelle, ”INJ” ist Einspritzeinrichtung und ”COMP” ist Kompressor.As can be seen, the hydrocarbon fuel stream complements 46 the anode effluent 26 as fuel for the burner 34 as required to meet the transient and solid state requirements of the fuel cell system. In some situations, exhaust gas passes through a regulator 38 , a shut-off valve 140 and a silencer 142 before it is released to the atmosphere. In 1 the symbols are as follows: "V" is valve, "MFM" is mass flow meter, "T" is temperature control, "R" is regulator, "C" is cathode side, "A" is anode side of fuel cell, "INJ" is injector and "COMP" is compressor.

Die Menge an Wärme, die von den gewählten Reaktoren in dem Brennstoffprozessor 2 gefordert wird und an den Brenner 34 geliefert werden soll, ist abhängig von der Menge an Brennstoff- und Wassereingang und schließlich der Sollreaktionstemperatur in dem Brennstoffprozessor 2. Wie vorher angemerkt wurde, wird manchmal auch Luft in dem Brennstoffpro zessorreaktor verwendet und muß zusammen mit dem Brennstoff- und dem Wassereingang auch berücksichtigt werden. Um die Wärmeanforderung des Brennstoffprozessors 2 liefern zu können, verwendet der Brenner 34 das gesamte Anodenabgas oder -abfluß 26 und möglicherweise einigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff. Enthalpiegleichungen werden dazu verwendet, um die Menge an Kathodenabgasluft zu bestimmen, die an den Brenner 34 geliefert werden soll, um die Solltemperaturanforderungen des Brenners 34 erfüllen zu können, damit der Brenner 34 schließlich die durch den Brennstoffprozessor 2 geforderte Wärme erzielt. Der Sauerstoff oder die Luft, die an den Brenner 34 geliefert werden, umfaßt Kathodenabflußabgas 28, das typischerweise einen Prozentsatz des Gesamtsauerstoffes darstellt, der zu der Kathode der Brennstoffzelle 22 geliefert wird, und/oder einen Luftstrom von dem Kompressorausgang abhängig davon, ob die Vorrichtung in einem Startmodus, bei dem ausschließlich der Kompressorluftstrom verwendet wird, oder in einem Laufmodus unter Verwendung des Kathodenabflusses 28 und/oder der Kompressorluft arbeitet. In dem Laufmodus wird die Gesamtluft-, Sauerstoff- oder Verdünnungsanforderung, die von dem Brenner 34 erforderlich ist und nicht durch den Kathodenabfluß 28 erfüllt wird, durch den Kompressor 30 in einer Menge geliefert, um die Temperatur und Wärme zu erfüllen, die von dem Brenner 34 bzw. dem Brennstoffprozessor 2 gefordert sind. Die Luftsteuerung ist über ein Luftverdünnungsventil 47 implementiert, das vorzugsweise ein über Schrittmotor angetriebenes Ventil mit einer variablen Mündung ist, um die Austrittsmenge an Kathodenabgas 28, die zu dem Brenner 34 geliefert wird, steuern zu können.The amount of heat from the selected reactors in the fuel processor 2 is required and to the burner 34 is to be supplied depends on the amount of fuel and water inlet and finally the desired reaction temperature in the fuel processor 2 , As previously noted, air is sometimes also used in the fuel processor reactor and must also be considered along with the fuel and water inputs. To the heat request of the fuel processor 2 to be able to deliver, the burner uses 34 the entire anode exhaust or effluent 26 and maybe some hydrocarbon fuel. Enthalpy equations are used to determine the amount of cathode exhaust air flowing to the burner 34 should be delivered to the setpoint temperature requirements of the burner 34 to be able to fulfill, so the burner 34 finally the fuel processor 2 achieved required heat. The oxygen or air flowing to the burner 34 includes cathode effluent exhaust gas 28 , which typically represents a percentage of the total oxygen that goes to the cathode of the fuel cell 22 is supplied, and / or an air flow from the compressor output depending on whether the device in a start mode in which only the compressor air flow is used, or in a running mode using the cathode effluent 28 and / or the compressor air works. In run mode, the total air, oxygen, or dilution required by the burner 34 is required and not by the cathode drain 28 is satisfied by the compressor 30 delivered in a quantity to meet the temperature and heat required by the burner 34 or the fuel processor 2 are required. The air control is via an air dilution valve 47 implemented, which is preferably a stepper motor driven valve with a variable orifice to the discharge amount of cathode exhaust gas 28 leading to the burner 34 is delivered to control.

Bei dieser beispielhaften Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung verläuft der Betrieb des Brenners wie folgt. Zu Beginn des Betriebs, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung kalt ist und startet: (1) wird der Kompressor 30 durch einen Elektromotor angetrieben, der von einer externen Quelle (beispielsweise einer Batterie) gespeist ist, um die erforderliche Luft an das System zu liefern; (2) wird Luft in den Brenner 34 eingeführt und Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 (beispielsweise MeOH oder Benzin) in den Brenner 34 eingesprüht; (3) reagieren die Luft und der Brennstoff in dem Brenner 34, wobei eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Brennstoffes bewirkt wird; und (4) werden die heißen Abgase, die den Brenner 34 verlassen, an die gewählten Reaktoren 12 befördert, die mit dem Brennstoffprozessor 2 in Verbindung stehen.In this exemplary illustration of a fuel cell device, the operation of the burner proceeds as follows. At the beginning of operation, when the fuel cell device is cold and starts: (1) the compressor becomes 30 by an electric motor powered from an external source (for example, a battery) to supply the required air to the system; (2) will air into the burner 34 introduced and hydrocarbon fuel 46 (eg MeOH or gasoline) into the burner 34 sprayed; (3) the air and fuel in the burner react 34 wherein substantially complete combustion of the fuel is effected; and (4) are the hot exhaust gases that make up the burner 34 leave, to the chosen reactors 12 transported with the fuel processor 2 keep in touch.

Sobald die Reaktoren 12 in dem Brennstoffprozessor 2 eine erreichte angemessene Temperatur aufweisen, beginnt der Reformationsprozeß und der Prozeß umfaßt wie folgt: (1) Kathodenbypassventil 32 wird aktiviert (d. h. geöffnet), um Luft an die Kathodenseite der Brennstoffzelle 22 zu führen; (2) Brennstoff und Wasser werden an den Brennstoffprozessor 2 zugeführt, um die Reformationsreaktion zu beginnen; (3) Reformat, das den Brennstoffprozessor 2 verläßt, wird an die Anodenseite der Brennstoffzelle 22 zugeführt; (4) Anodenabfluß 26 von der Brennstoffzelle 22 wird in den Brenner 34 geführt; (5) Kathodenabfluß 28 von der Brennstoffzelle 22 wird in den Brenner 34 geführt; (6) der Brennstoff, Luft, Kathodenabfluß 28 und Anodenabfluß 26 werden in dem Brenner 34 verbrannt. Bei einer bevorzugten Sequenz wird Schritt (2) zunächst zusammen mit der Lieferung von Luft direkt zu dem Brenner implementiert. Anschließend werden, wenn der wasserstoffreiche Strom angemessen niedrige CO-Niveaus aufweist, die Schritte (1) und (3) gefolgt durch die Schritte (4), (5) und (6) implementiert.Once the reactors 12 in the fuel processor 2 have reached an adequate temperature, the reforming process starts and the process comprises: (1) cathode by-pass valve 32 is activated (ie, opened) to supply air to the cathode side of the fuel cell 22 respectively; (2) Fuel and water are sent to the fuel processor 2 fed to begin the reformation reaction; (3) Reformat, the fuel processor 2 leaves is to the anode side of the fuel cell 22 supplied; (4) Anode effluent 26 from the fuel cell 22 gets into the burner 34 guided; (5) cathode effluent 28 from the fuel cell 22 gets into the burner 34 guided; (6) the fuel, air, cathode effluent 28 and anode effluent 26 be in the burner 34 burned. In a preferred sequence, step (2) is first implemented together with the delivery of air directly to the burner. Subsequently, when the hydrogen-rich stream has reasonably low CO levels, steps (1) and (3) are followed by steps (4), (5), and (6).

Unter bestimmten Bedingungen könnte der Brenner 34 ausschließlich mit den Anoden- und Kathoden-Abflüssen ohne Erfordernis für zusätzlichen Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 arbeiten. Unter diesen Bedingungen ist die Brennstoffeinspritzung zu dem Brenner 34 unterbrochen. Unter anderen Bedingungen, beispielsweise erhöhten Leistungsanforderungen, wird ergänzender Brennstoff 46 vorgesehen, um den Aaus (26) zu dem Brenner 34 zu ergänzen. Es ist zu sehen, daß der Brenner 34 mehrere Brennstoffe aufnimmt, wie beispielsweise einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff wie auch Anodenabfluß 26 von der Anode der Brennstoffzelle 22. Sauerstoffabgereicherte Abgasluft 28 von der Kathode der Brennstoffzelle 22 und Luft von dem Kompressor 30 werden auch an den Brenner 34 geliefert.Under certain conditions, the burner could 34 exclusively with the anode and cathode effluents without the need for additional hydrocarbon fuel 46 work. Under these conditions, the fuel injection to the burner 34 interrupted. In other conditions, such as increased power requirements, becomes supplemental fuel 46 provided (the A of 26 ) to the burner 34 to complete. It can be seen that the burner 34 receives multiple fuels, such as a hydrocarbon fuel as well as anode effluent 26 from the anode of the fuel cell 22 , Oxygen-depleted exhaust air 28 from the cathode of the fuel cell 22 and air from the compressor 30 will also be to the burner 34 delivered.

Gemäß dem Beispiel des vorliegenden Brennstoffzellensystemes steuert eine Steuerung 150, die in 1 gezeigt ist, verschiedene Aspekte des Betriebs des in 1 gezeigten Systemes. Die Steuerung 150 kann einen geeigneten Mikroprozessor, Mikrocontroller, Personalcomputer, etc. umfassen, der eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) aufweist, die in der Lage ist, ein Steuerprogramm und in einem Speicher gespeicherte Daten auszuführen. Die Steuerung 150 kann eine zweckbestimmte Steuerung sein, die für eine der Komponenten in 1 spezifisch ist, oder kann als Software implementiert sein, die in dem elektronischen Hauptfahrzeugsteuermodul gespeichert ist. Ferner sei, obwohl auf Software basierende Steuerprogramme zur Steuerung von Systemkomponenten in verschiedenen Betriebsmoden, wie oben beschrieben ist, verwendbar sind, zu verstehen, daß die Steuerung auch in Teilen oder im Ganzen durch eine zweckbestimmte elektronische Schaltung implementiert sein kann.According to the example of the present fuel cell system, a controller controls 150 , in the 1 is shown various aspects of the operation of in 1 shown system. The control 150 may comprise a suitable microprocessor, microcontroller, personal computer, etc. having a central processing unit (CPU) capable of executing a control program and data stored in a memory. The control 150 can be a dedicated controller for one of the components in 1 is specific, or may be implemented as software stored in the main electronic vehicle control module. Further, although software-based control programs are applicable for controlling system components in various modes of operation as described above, it should be understood that the control may also be implemented in part or in whole by a dedicated electronic circuit.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet das Brennstoffzellensystem die Brennstoffzelle 22 als Teil eines Fahrzeugantriebssystemes 60 (2). Hier umfaßt ein Abschnitt des Antriebssystems 60 eine Batterie 62, einen Elektromotor 64 und eine zugeordnete Antriebselektronik in der Form eines Inverters 65, der derart aufgebaut und angeordnet ist, um elektrische Energie von einem DC/DC-Wandler 61 aufnehmen zu können, der dem Brennstoffzellensystem und insbesondere Brennstoffzelle 22 zugeordnet ist, und um diese in durch den Motor 64 erzeugte mechanische Energie umzuwandeln. Die Batterie 62 ist derart aufgebaut und angeordnet, um elektrische Energie aufnehmen und speichern zu können, die von der Brennstoffzelle 22 geliefert wird, und um elektrische Energie aufnehmen und speichern zu können, die von dem Motor 64 während einer Rückarbeitsbremsung geliefert wird, und um elektrische Energie an den Motor 64 liefern zu können. Der Motor 64 ist mit einer Antriebsachse 66 gekoppelt, um Räder eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) zu drehen. Ein elektrochemisches Motorsteuermodul (EECM) 70 und ein Batteriepaketmodul (BPM) 71 überwachen verschiedene Betriebsparameter, die beispielsweise die Spannung und den Strom des Stapels umfassen können. Beispielsweise wird dies durch das Batteriepaketmodul (BPM) 71 oder durch das BPM 71 zusammen mit dem EECM 70 durchgeführt, um ein Ausgangssignal (Nachricht) an die Fahrzeugsteuerung 74 auf der Grundlage von Bedingungen zu senden, die durch das BPM 71 überwacht werden. Die Fahrzeugsteuerung 74 steuert den Elektromotor 64, den Inverter 65, den DC/DC-Wandler 61 und fordert ein Energieniveau von dem EECM 70.In a preferred embodiment, the fuel cell system uses the fuel cell 22 as part of a vehicle drive system 60 ( 2 ). Here is a section of the drive system 60 a battery 62 , an electric motor 64 and an associated drive electronics in the form of an inverter 65 which is constructed and arranged to receive electrical power from a DC / DC converter 61 to be able to absorb the fuel cell system and in particular the fuel cell 22 is assigned, and to this in by the engine 64 to convert generated mechanical energy. The battery 62 is constructed and arranged to receive and store electrical energy from the fuel cell 22 is supplied, and to record and store electrical energy from the engine 64 during a back-up braking, and to provide electrical power to the engine 64 to deliver. The motor 64 is with a drive axle 66 coupled to rotate wheels of a vehicle (not shown). An electrochemical engine control module (EECM) 70 and a battery pack module (BPM) 71 Monitor various operating parameters, which may include, for example, the voltage and the current of the stack. For example, this is done by the battery pack module (BPM) 71 or by the BPM 71 together with the EECM 70 performed to an output signal (message) to the vehicle control 74 to send on the basis of conditions imposed by the BPM 71 be monitored. The vehicle control 74 controls the electric motor 64 , the inverter 65 , the DC / DC converter 61 and demands an energy level from the EECM 70 ,

Die Gasströmungen (H2 und Luft) an die Brennstoffzelle 22 und den Brenner 34 in dem Brennstoffzellensystem von 1 sind für einen Start- und Laufmodus beschrieben worden. Derartige Systeme besitzen auch ei nen Abschaltmodus, bei dem die Gasströmungen an die Brennstoffzelle 22 umgelenkt und schließlich beendet werden, beispielsweise, wenn ein Fahrzeug, das das Brennstoffzellensystem zum Antrieb verwendet, abgeschaltet wird. Diese Umlenkung und Beendigung der Gasströmung wird durch die vorher dargestellten Ventile 31 und 32 für die H2- bzw. Luftströmungen erreicht. Bei dem veranschaulichten System zum Fahrzeugantrieb nehmen die Ventile 31 und 32 typischerweise die Form von Bypassventilen vom Kraftfahrzeugtyp an, die gewöhnlich solenoidbetätigte Kugelhähne mit einem Rohrdurchmesser von etwa 25 bis 38 mm (etwa 1 bis 1 1/2 Inch) sind. Diese sind allgemein Dreiwegeventile (ein Eingang, zwei mögliche Ausgänge), deren Funktion ein Schließen umfaßt, um während des Abschaltens die Strömung von H2 und Luft von der Brennstoffzelle 22 an den Brenner 34 zu umgehen.The gas flows (H 2 and air) to the fuel cell 22 and the burner 34 in the fuel cell system of 1 have been described for a startup and run mode. Such systems also have a shutdown mode in which the gas flows to the fuel cell 22 be deflected and finally terminated, for example, when a vehicle that uses the fuel cell system for driving, is turned off. This diversion and termination of the gas flow is through the previously illustrated valves 31 and 32 For the H 2 - or air flows reached. In the illustrated vehicle drive system, the valves are taking 31 and 32 typically in the form of automotive type bypass valves, which are typically solenoid-operated ball valves having a pipe diameter of about 25 to 38 mm (about 1 to 1 1/2 inches). These are generally three-way valves (one input, two possible outputs), the function of which includes closing to shut off the flow of H 2 and air from the fuel cell during shutdown 22 to the burner 34 to get around.

Eine Luftströmung an den Brenner durch Kathodenbypassventil 32 verhindert, daß sich der Brenner überhitzt, wenn dieser das restliche H2 von dem Anodenbypassventil 31 und den Abfluß verbrennt, der von dem Anodenauslaß der Brennstoffzelle 22 gedrosselt wird. Eine kontinuierliche Luftströmung unterstützt dann ein Abkühlen des Brenners, nachdem das gesamte restliche H2 verbrannt worden ist. Eine typische Betriebstemperatur für einen Brenner, der in einer Brennstoffzellenvorrichtung des in 1 gezeigten Typs verwendet wird, beträgt 600°C. Eine Überhitzung kann den Brenner schädigen, was teure Reparaturen oder einen teuren Ersatz erforderlich macht. Demgemäß muß während der Abschaltprozedur der Lieferung von ausreichend Luftströmung an den Brenner beim Abschalten Priorität gegeben werden, um sowohl eine konstante Temperatur zum Verbrennen der Reste beizubehalten als auch zum Abkühlen des Brenners.An air flow to the burner through cathode bypass valve 32 prevents the burner from overheating when it releases the remaining H 2 from the anode bypass valve 31 and burns the effluent from the anode outlet of the fuel cell 22 is throttled. Continuous air flow then assists in cooling the burner after all remaining H 2 has been burned. A typical operating temperature for a burner used in a fuel cell device of the type disclosed in US Pat 1 used is 600 ° C. Overheating can damage the burner, requiring expensive repairs or expensive replacement. Accordingly, during the shutdown procedure, priority must be given to providing sufficient airflow to the burner at shutdown to maintain both a constant temperature for burning the remains and for cooling the combustor.

Die in 1 gezeigte Steuerung 150, die durch das nicht beschränkende Beispiel mit der BPM 71 und/oder der EECM 70 implementiert sein kann, überwacht den Betrieb des Brennstoffzellensystemes bezüglich Drücken, Temperaturen, Startzeiten, Zyklen, etc. und erzeugt laufend Abschaltanweisungen in Ansprechen auf gewählte Übergangsbedingungen des Systemes zur Übertragung in eine Algorithmenlogik (siehe 2A).In the 1 shown control 150 by the non-limiting example with the BPM 71 and / or the EECM 70 can be implemented, monitors the operation of the fuel cell system in terms of pressures, temperatures, start times, cycles, etc. and continuously generates shutdown instructions in response to selected transient conditions of the system for transmission into algorithmic logic (see 2A ).

Die Systemabschaltsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung kann entweder als Hardware oder Software implementiert sein. Vorzugsweise ist die Steuerung als Software als Teil des Steuerprogrammes in der Steuerung 150 implementiert. 2A ist eine beispielhafte Darstellung der Steuerung als eine Logikschaltung, wie in der U.S. Patentanmeldung, Seriennr. 09/345,139 [H-204426] [GMLS-4426] offenbart ist, die mit der vorliegenden Anmeldung dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung gehört. Die Logik in 2A überprüft jedes Abschaltanweisungssignal, das von der Steuerung 150 empfangen wird, und führt eine Bestimmung oder eine Unterscheidung bezüglich dessen durch, ob die Abschaltanweisung als eine Schnellabschaltanweisung oder eine Normalabschaltanweisung angesehen werden soll. Die Unterscheidung betrifft die Überprüfung von Kriterien, die kurz in 2A dargestellt sind und detailliert in der oben angeführten und ebenfalls anhängigen Anmeldung beschrieben sind. Die Einzelheiten der Entscheidung für eine Normalabschalt- und Schnellabschaltanweisung und Signalerzeugung sind für die vorliegende Erfindung nicht kritisch, deren Anodenbypassüberwachungsverfahren und Entlüftungsventilanordnungen mit vielen verschiedenen Formen von Abschaltanweisungsschemas verwendet werden können.The system shutdown control according to the present invention may be implemented either as hardware or software. Preferably, the control is software as part of the control program in the controller 150 implemented. 2A FIG. 4 is an exemplary illustration of the controller as a logic circuit as disclosed in US patent application Ser. 09 / 345,139 [H-204426] [GMLS-4426], which belongs to the present application with the present application. The logic in 2A checks each shutdown instruction signal received from the controller 150 is received, and makes a determination or a discrimination as to whether the shut-down instruction should be regarded as a quick shutdown instruction or a normal shutdown instruction. The distinction concerns the review of criteria which are briefly described in 2A are shown and described in detail in the above-referenced and co-pending application. The details of the decision for a normal shutdown and quick shutdown instruction and signal generation are not critical to the present invention, whose anode bypass monitoring methods and vent valve assemblies can be used with many different forms of shutdown instruction schemes.

Die vorliegende Erfindung ist auf die Überwachung des Betriebes eines Anodenbypassventiles 31 während einer normalen Abschaltung und eine Auslösung einer Schnellabschaltung gerichtet, wenn der Anodenbypass beim Schließen versagt.The present invention is directed to monitoring the operation of an anode bypass valve 31 during a normal shutdown and an emergency shutdown trip if the anode bypass fails to close.

Die 3–6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer bevorzugten Entlüftungs- und Druckerfassungsanordnung zur Verwendung mit einem System, wie beispielsweise demjenigen, das in 1 dargestellt ist. Es sei zu verstehen, daß die 3–6 vereinfachte Darstellungen basierend auf dem in 1 gezeigten System sind, wobei Gasströmungen, der Ventilbetrieb und der Zusatz von Drucksensoren zur Ausführung der Erfindung hervorgehoben sind. Die zusätzlichen Drucksensoren sind als Drucksensor 100 in dem H2-Versorgungsweg 20 zwischen dem Anodenbypassventil 31 und dem Anodeneinlaß 22a an oder in der Nähe des Anodeneinlasses, um den Anodeneinlaßdruck wirksam erfassen zu können, und als Drucksensor 102 in Druckverbindung mit dem Anodenauslaß 22c über Leitung oder Weg 21 von dem Anodenauslaß zu dem Brenner gezeigt. Zwischen dem Anodenauslaß 22c und dem Kathodenauslaß 22d und dem Brenner ist vorzugsweise eine Rückschlagventileinrichtung 90, 92 vorgesehen, um einen Rückfluß in den Strömungswegen zu verhindern. Der Drucksensor 102 ist unterstromig des Rückschlagventiles 90 in Leitung 21 angeordnet. Eine zusätzliche Entlüftungsventileinrichtung ist bei 80, 82 in Verbindung mit dem Anodenbypassventil 31 und bei 86 in Verbindung mit dem Kathodenbypassventil 32 und Kathodeneinlaß 22b gezeigt. Oberstromig des Kathodeneinlasses 22b ist eine optionale Kühleinrichtung vorgesehen.The 3 - 6 show a preferred embodiment of the method according to the invention and a preferred venting and pressure sensing arrangement for use with a system such as that described in US Pat 1 is shown. It should be understood that the 3 - 6 simplified representations based on the in 1 shown system, wherein gas flows, the valve operation and the addition of pressure sensors are highlighted for carrying out the invention. The additional pressure sensors are as a pressure sensor 100 in the H 2 supply route 20 between the anode bypass valve 31 and the anode inlet 22a at or near the anode inlet to effectively detect the anode inlet pressure, and as a pressure sensor 102 in pressure communication with the anode outlet 22c via line or path 21 from the anode outlet to the burner. Between the anode outlet 22c and the cathode outlet 22d and the burner is preferably a check valve device 90 . 92 provided to prevent backflow in the flow paths. The pressure sensor 102 is downstream of the check valve 90 in line 21 arranged. An additional vent valve device is included 80 . 82 in conjunction with the anode bypass valve 31 and at 86 in conjunction with the cathode bypass valve 32 and cathode inlet 22b shown. Upstream of the cathode inlet 22b an optional cooling device is provided.

Bei einer bevorzugten Form sind die Entlüftungsventile 80, 82 und 86 schnell wirkende Solenoidentlüftungen. Die brennbare Entlüftung 84 und die Oxidationsmittelentlüftung 88 können einfach an die Atmosphäre austragen und werden getrennt gehalten, um die Bildung einer brennbaren Mischung von H2 und Luft in dem System während des unten beschriebenen Entlüftungsprozesses zu vermeiden. Die Drucksensoren 100 und 102 können von einem beliebigen Typ sein, der in der Lage ist, Signale zu erzeugen, die den Druck an dem Anodeneinlaß und -auslaß repräsentieren, wobei diese Signale ferner auf Echtzeitbasis mit der Verfolgung des Druckunterschiedes zwischen dem Anodeneinlaß und -auslaß verglichen werden können.In a preferred form, the vent valves 80 . 82 and 86 fast-acting solenoident ventilation. The combustible vent 84 and the oxidizer vent 88 can simply vent to the atmosphere and are kept separate to avoid the formation of a combustible mixture of H 2 and air in the system during the venting process described below. The pressure sensors 100 and 102 may be of any type capable of producing signals representing the pressure at the anode inlet and outlet, which signals may also be displayed on a real-time basis with the tracking of the pressure difference between the anode inlet and outlet can be compared.

Es sei angemerkt, daß, obwohl die Enlüftungen 84 und 88 vorzugsweise einen einfachen Austrag an die Atmosphäre vorsehen, diese auch andere Formen annehmen können, wie beispielsweise Speichertanks, Adsorberbetten und andere bekannte Vorrichtungen zur Speicherung und Handhabung von Gasströmungen.It should be noted that although the vents 84 and 88 preferably provide a simple discharge to the atmosphere, these may take other forms, such as storage tanks, adsorber beds and other known devices for storing and handling gas flows.

3 zeigt das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung in einem normalen Betriebsmodus gerade vor der Aufnahme einer Abschaltanweisung (d. h. vor der Abschaltung). H2 strömt frei von dem Bypassventil 31 durch Leitung 20 an dem Drucksensor 100 vorbei zu dem Anodeneinlaß 22a. Nach der Verarbeitung in dem Brennstoffzellenstapel verläßt der Abfluß den Anodenauslaß 22c und gelangt durch Leitung 21 an dem Drucksensor 102 vorbei und dann zu dem Brenner 34, wo er, wie oben beschrieben ist, verbrannt wird. Die Bypassventilsymbole sind ferner in 3A gezeigt. 3 shows the fuel cell system according to the invention in a normal operating mode just before receiving a shutdown instruction (ie before shutdown). H 2 flows freely from the bypass valve 31 by line 20 at the pressure sensor 100 over to the anode inlet 22a , After processing in the fuel cell stack, the effluent leaves the anode outlet 22c and passes through wire 21 at the pressure sensor 102 over and then to the burner 34 where it is burned as described above. The bypass valve symbols are also in 3A shown.

Während des normalen Betriebszustandes des Systems in 3 weist die H2-Strömung durch die Anodenseite des Stapels einen erheblichen meßbaren Druckverlust auf, der zur Folge hat, daß der Anodenauslaßdruck, der durch Sensor 102 gemessen wird, erheblich niedriger als der Anodeneinlaßdruck wird, der durch Sensor 100 gemessen wird. Dieser Druckverlust oder -unterschied ist während des Normalbetriebes gut voraussagbar und wird durch die Systemsteuerung (1) überwacht.During the normal operating condition of the system in 3 H 2 flow through the anode side of the stack has a significant measurable pressure drop, which results in the anode outlet pressure flowing through the sensor 102 is measured, significantly lower than the anode inlet pressure, by the sensor 100 is measured. This pressure loss or difference is well predictable during normal operation and is controlled by the system controller ( 1 ) supervised.

Bei Aufnahme einer normalen Abschaltanweisung von der Steuerung beginnt das Anodenbypassventil 31, sich zu schließen, wie in 4 gezeigt ist. Der Anodeneinlaßdruck, der durch Sensor 100 gemessen wird, beginnt über die wenigen Sekunden, die es normalerweise dauert, damit sich das Bypassventil schließen kann, schnell abzufallen. Eine typische Betriebsgeschwindigkeit für ein Bypassventil vom Kraftfahrzeugtyp, wie bei 31 gezeigt ist, beträgt zum vollständigen Schließen 1 bis 5 Sekunden.When a normal shutdown instruction is received from the controller, the anode bypass valve begins 31 to close, as in 4 is shown. The anode inlet pressure caused by sensor 100 is measured starts over the few seconds that it normally takes for the bypass valve to close down quickly. A typical operating speed for a vehicle type bypass valve as in 31 is shown, is to complete closing 1 to 5 seconds.

5 zeigt das Brennstoffzellensystem, wenn das Anodenbypassventil 31 vollständig geschlossen ist, um den Anodeneinlaß und Brennstoffstapel 22 vollständig zu umgehen. Wenn das Anodenbypassventil 31 richtig funktioniert hat, existiert keine Strömung an dem Sensor 100 vorbei und der Druck über den Stapel gleicht sich im wesentlichen so aus, daß die Drucksignale, die durch die Sensoren 100 und 102 berichtet werden, annähernd gleich sind. 5 shows the fuel cell system when the anode bypass valve 31 is completely closed to the anode inlet and fuel stacks 22 completely bypass. If the anode bypass valve 31 has worked properly, there is no flow on the sensor 100 over and the pressure across the stack is substantially equalized so that the pressure signals passing through the sensors 100 and 102 are reported to be approximately the same.

Während einer normalen Abschaltung liefert die H2-Versorgung für eine kurze Zeit dasselbe Niveau an H2. Abhängig von dem Ort des Sensors 102 kann dies an Sensor 102 einen Druckanstieg zur Folge haben. Jedoch wird dieser Anstieg infolge des Rückschlagventiles 90 in Leitung 21 nicht an den Anodeneinlaß zu dem Drucksensor 100 übertragen. Schließlich fällt jedoch der Druck von der H2-Versorgung bei Sensor 102 ab, wenn die H2-Versorgung während der Abschaltprozedur allmählich abgeschaltet wird.During a normal shutdown, the H 2 supply supplies the same level of H 2 for a short time. Depending on the location of the sensor 102 can this be to sensor 102 cause a pressure increase. However, this increase is due to the check valve 90 in line 21 not to the anode inlet to the pressure sensor 100 transfer. Eventually, however, the pressure drops from the H 2 supply to the sensor 102 when the H 2 supply is gradually turned off during the shutdown procedure.

Das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt, ob das Anodenbypassventil 31 in der normalen Abschaltsituation von 5 tatsächlich geschlossen ist. Dies wird durch Verfolgung des Druckunterschiedes zwischen den Sensoren 100 und 102 über eine Zeitperiode entsprechend allgemein der Abschaltperiode, beispielsweise 1 bis 5 Sekunden, bestimmt. Das Anodenbypassventil 31 wird als richtig geschlossen betrachtet, solange die folgende Beziehung erreicht ist: Druck (100) – Druck (102)t=0 >> Druck(100) – Druck (102)t=1, wobei: t = 0 der Zeitpunkt vor der Bewegung des Anodenbypassventiles ist (Strömung durch den Stapel) und t = 1 der Zeitpunkt ist, nachdem das Anodenbypassventil entsprechend der Strömungsumgehung des Stapels geschlossen sein sollte. Es sei zu verstehen, daß der Zeitpunkt t = 0 der Einleitung einer Abschaltanweisung oder dem Zeitpunkt gerade vor oder unmittelbar nach einer Einleitung der Abschaltanweisung entspricht.The inventive method determines whether the anode bypass valve 31 in the normal shutdown situation of 5 is actually closed. This is done by tracking the pressure difference between the sensors 100 and 102 over a period of time corresponding generally to the turn-off period, for example 1 to 5 seconds. The anode bypass valve 31 is considered to be closed properly as long as the following relationship is reached: pressure ( 100 ) - Print ( 102 ) t = 0 >> pressure ( 100 ) - Print ( 102 ) t = 1 , where: t = 0 is the time before the movement of the anode bypass valve (flow through the stack) and t = 1 is the time after the anode bypass valve should be closed in accordance with the flow bypass of the stack. It should be understood that the time t = 0 corresponds to the initiation of a shutdown instruction or the time just before or immediately after an initiation of the shutdown instruction.

Wenn sich der Druckunterschied zwischen dem Anodeneinlaß und dem Anodenauslaß, wie durch die Drucksensoren gemessen ist, nicht während der erwarteten Abschaltzeitperiode grob ausgleicht, betrachtet die Systemsteuerung das Anodenbypassventil als betriebsunfähig oder als nicht geschlossen und weist das System zu einer Schnellabschaltung an, wie unter Bezugnahme auf die 2A beschrieben ist.If the pressure differential between the anode inlet and the anode outlet, as measured by the pressure sensors, does not roughly equalize during the expected shut-off time period, the system controller considers the anode bypass valve to be inoperable or not closed, and alerts the system to an emergency shutdown, as described with reference to FIG the 2A is described.

Bei der Schnellabschaltung, um eine Schädigung des Stapels 22 von dem nun CO-reichen H2-Reformat zu verhindern, das von der H2-Versorgung kommt, besteht das Ziel darin, dieses CO-reiche H2 so schnell wie möglich von dem Stapel zu entlüften. Gemäß dieser Aufgabe öffnen sich bei der Erfindung in 6 die schnell wirkenden Entlüftungsventile 80 und 82, um das CO-reiche Reformat von dem Stapel an die brennbare Entlüftung 84 zu entlüften. Die Offenstellung ist in 6 durch die offenen Kreise dargestellt, die den Ort der schnell wirkenden (schnellen) Entlüftungsventile 80 und 82 angeben. Dies beseitigt die Gefahr einer CO-Schädigung des Stapels. In 6 sind die Bypassventile 31 und 32 vollständig geschlossen, d. h. sie haben das H2-Reformat und die Luft vollständig von dem Brennstoffzellenstapel 22 umgelenkt und sind nun durch Leitungen 20a bzw. 24a nur zu dem Brenner 34 offen. Optional kann zur Beseitigung längerer Druckunterschiede über den Stapel, die durch die Entlüftung des Anodeneinlasses erzeugt werden, eine schnell wirkende Entlüftung 86 an die Oxidationsmittelentlüftung 88 entlüftet werden, um den Druck von der Kathodenseite des Stapels zu entlasten. Gemäß einer Erfindung, die Gegenstand der ebenfalls anhängigen Anmeldung ist, die am 11. Februar 2000 mit der Seriennummer 09/502,640 (H-205764) eingereicht wurde und dem Anmelder dieser Anmeldung gehört, kann das Entlüftungsventil 86 entlüftet werden, nachdem das Kathodenbypassventil 32 vollständig geschlossen ist, um so die Strömung an Kühlluft zu dem Brenner während der Schnellabschaltung nicht zu behindern.During the quick shutdown, to damage the stack 22 to prevent from the now CO-rich H 2 reformate coming 2 supply of the H, the aim is to vent this CO-rich H 2 as quickly as possible from the stack. According to this object open in the invention in 6 the fast acting vent valves 80 and 82 to remove the CO rich reformate from the stack to the combustible vent 84 to vent. The open position is in 6 represented by the open circles, which are the location of the fast-acting (fast) vent valves 80 and 82 specify. This eliminates the risk of CO damage to the stack. In 6 are the bypass valves 31 and 32 completely closed, ie they have the H 2 -reform and the air completely from the fuel cell stack 22 diverted and are now through lines 20a respectively. 24a only to the burner 34 open. Optionally, to eliminate longer pressure differences across the stack created by the venting of the anode inlet, we can quickly kende venting 86 to the oxidizer vent 88 be vented to relieve the pressure from the cathode side of the stack. According to an invention which is the subject of the co-pending application filed on February 11, 2000, Serial No. 09 / 502,640 (H-205764) and assigned to the assignee of this application, the bleed valve may be used 86 be vented after the cathode bypass valve 32 is completely closed, so as not to hinder the flow of cooling air to the burner during the emergency shutdown.

In 7 ist das Brennstoffzellensystem von 1 mit dem Zusatz der Drucksensoren 100, 102 und schnell wirkenden Schnellentlüftungen 80, 82 gezeigt. Mit dem Drucksensor und der Entlüftungsventilanordnung von 7 kann das Brennstoffzellensystem auf ein richtiges Schließen des Anodenbypassventiles 31 durch die Steuerung 150 und durch Verwendung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht werden.In 7 is the fuel cell system of 1 with the addition of pressure sensors 100 . 102 and fast acting quick vents 80 . 82 shown. With the pressure sensor and the vent valve assembly of 7 can the fuel cell system to a proper closing of the anode bypass valve 31 through the controller 150 and monitored by using the method of the invention described above.

Obwohl der Hauptzweck der Erfindung darin besteht, den Anodeneinlaß während einer normalen Abschaltung zu entlüften, wenn das Anodenbypassventil beim Schließen versagt, ist ein anderes wichtiges Merkmal die Fähigkeit der Steuerung, in dem Falle einer Betriebsunfähigkeit des Anodenbypasses einen Diagnoseflag zu setzen. Demgemäß kann, wenn das System in eine Schnellabschaltung angewiesen wird, der Bediener schnell die Ursache bestimmen, wie beispielsweise die Betriebsunfähigkeit des Anodenbypassventiles während einer normalen Abschaltung.Even though the main purpose of the invention is that of the anode inlet during a normal venting to vent, if the anode bypass valve fails when closing is another important feature the ability the controller, in the event of inoperability of the anode bypass a To set diagnostic flag. Accordingly, if the system is directed to an emergency shutdown, the operator quickly determine the cause, such as the inability of the Anode bypass valves during a normal shutdown.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf ein bestimmtes Brennstoffzellensystem beschrieben worden ist, wie in den 1 und 7 gezeigt ist, ist selbstverständlich zu verstehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch auf andere Brennstoffzellensystemanordnungen unter Verwendung einer Anodenbypassventileinrichtung angewendet werden kann. In 7 sind die Drucksensoren 100 und 102 als Zusätze für ein existierendes System gezeigt. Brennstoffzellensysteme, die Drucksensoren an diesen Orten umfassen, um lediglich als eine Gesamtdruckdiagnose zu dienen, sind gemäß der Erfindung so verwendbar, daß die Signale von diesen Drucksensoren durch die Systemsteuerung für die erfindungsgemäße Anodenbypassüberwachung durch Neuprogrammierung der Steuerung verwendet werden können, um den Druckunterschied zwischen diesen gemäß der oben dargelegten Formel zu überwachen. Diese und andere Abweichungen und Modifikationen von dem hier veranschaulichten spezifischen Beispiel sind für Fachleute offensichtlich.Although the inventive method has been described with reference to a particular fuel cell system, as in 1 and 7 is shown, it is to be understood that the inventive method can also be applied to other fuel cell system arrangements using an anode bypass valve device. In 7 are the pressure sensors 100 and 102 shown as additions to an existing system. Fuel cell systems incorporating pressure sensors at these locations to serve merely as a total pressure diagnostic are useful in accordance with the invention so that the signals from these pressure sensors can be used by the system controller for anode bypass monitoring of the invention by reprogramming the controller to determine the pressure differential therebetween according to the formula set out above. These and other variations and modifications of the specific example illustrated herein will be apparent to those skilled in the art.

Claims (3)

Verfahren zur Detektion eines Abschaltzustands während einer Abschaltung eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel, der einen Anodeneinlaß und einen Anodenauslaß aufweist, mit den folgenden Schritten, daß: ein Anodenbypassventil in Verbindung mit dem Anodeneinlaß und eine Steuerung vorgesehen wird, die die Drücke an dem Anodeneinlaß und dem Anodenauslaß bestimmen kann; die Anodeneinlaß- und -auslaßdrücke erfaßt werden, wenn eine Abschaltung eingeleitet wird und ein erster Druckdifferenzwert erzeugt wird; der Druck an dem Anodeneinlaß und -auslaß zu einem Zeitpunkt erfaßt wird, nachdem die Steuerung eine Abschaltweisung erteilt hat und ein zweiter Druckdifferenzwert erzeugt wird; und der erste Druckdifferenzwert mit dem zweiten Druckdifferenzwert verglichen wird, und, wenn der erste Druckdifferenzwert den zweiten Druckdifferenzwert nicht um eine vorbestimmte Größe überschreitet, eine Schnellabschaltung ausgelöst wird.Method for detecting a shutdown state while a shutdown of a fuel cell system with a fuel cell stack, the one anode inlet and having an anode outlet, with the following steps, that: one Anodenbypassventil in conjunction with the anode inlet and a Control is provided which the pressures at the anode inlet and the Determine anode outlet can; the anode inlet and -auslaßdrücke are detected when a shutdown is initiated and a first differential pressure value is produced; the pressure at the anode inlet and outlet to one Date detected is after the control has issued a shutdown and a second pressure difference value is generated; and the first Pressure difference value compared to the second pressure difference value and, if the first pressure difference value is not the second pressure difference value exceeds a predetermined size, a Quick shutdown triggered becomes. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Auslösung der Schnellabschaltung umfaßt, daß der Anodeneinlaß des Brennstoffzellenstapels sofort entlüftet wird.The method of claim 1, wherein the triggering of Includes quick shutdown, that the Anode inlet of the Fuel cell stack is vented immediately. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Druckdifferenzwerte während einer Zeitperiode überwacht werden, für die während der Abschaltung die Bewegung des Anodenbypassventils von einer Offenstellung in eine Geschlossenstellung erwartet wird, und wobei die Schnellabschaltung ausgelöst wird, wenn der Druckdifferenzwert im Verlauf dieser Zeitperiode angestiegen ist.The method of claim 1, wherein the pressure difference values while be monitored over a period of time, for the while shutdown the movement of the anode by-pass valve from an open position is expected in a closed position, and where the rapid shutdown triggered when the pressure difference value has increased over this period of time is.
DE10065458A 2000-02-22 2000-12-28 Method for detecting the switch-off state during shutdown of a fuel cell system with anode pressure control Expired - Lifetime DE10065458B4 (en)

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